锁相环路学习教案

1、会计学1锁相环路锁相环路第一页，共62页。2第2页/共62页第二页，共62页。3( )cosAS tt4-1 引言引言(ynyn)第3页/共62页第三页，共62页。4自动自动(zdng)(zdng)增益控制增益控制 (AGC: Automatic Gain Control) (AGC: Automatic Gain Control) 自动自动(zdng)(zdng)频率控制频率控制 (AFC: Automatic Frequency Control) (AFC: Automatic Frequency Control)锁相环路锁相环路 (PLL: Phase Locked Loop) (PLL

2、: Phase Locked Loop) 第4页/共62页第四页，共62页。5第5页/共62页第五页，共62页。6高高放放混混频频低低放放中中放放检检波波低低通通直直放放A GC延延迟迟Backward AGC 后向AGC一般在接收机的高放或中放级使用(shyng)，反馈控制量一般取自检波输出。 第6页/共62页第六页，共62页。7No AGCDelayed AGCSimple AGC102030405060-35-10-20-30-25-15-50(IF)outu(RF),inu(IF)inu)B(duA(RF)Bm()dinu第7页/共62页第七页，共62页。8例如例如(lr)(lr)：S

3、imple AGC Circuit Simple AGC Circuit 21bQAGC1212ccRRVVVRRRR低通低通 检波检波 中放前级中放前级 AGC0V1R2RccV第8页/共62页第八页，共62页。9二二 AFC原理原理(yunl)简介简介带有AFC功能(gngnng)的AM超外差接收机 混频器混频器中放中放滤波放大滤波放大VCOVCOAM波至检波波至检波限幅限幅鉴频鉴频IFLcfff cf Lf f cV cV VCOVCO压控特性压控特性鉴频特性鉴频特性S S曲线曲线()cVfcv0ef起始频差(Normal)IFIFfffef稳态频差第9页/共62页第九页，共62页。10

4、频率频率(pnl)(pnl)调节进入稳态后，稳态频调节进入稳态后，稳态频差不会为零！差不会为零！任何负反馈控制系统，其反馈控制量任何负反馈控制系统，其反馈控制量的稳态误差不为零。的稳态误差不为零。 第10页/共62页第十页，共62页。11压控振荡器压控振荡器ui鉴相器鉴相器环路滤波器环路滤波器uDuCuO锁相环路的组成框图锁相环路的组成框图fifoPLL基本组成基本组成(z chn)原理与原理与环路方程环路方程 0( )()( )( )( )( )( )DiocDoocutu tF P uttK u t 第11页/共62页第十一页，共62页。12102( )sin( )( )cos( )iim

5、ioomu tUttu tUtt第12页/共62页第十二页，共62页。1311112( )()( )( )( )()( )( )( )sin( )( )cos( )( )( )ioiooiiiooiimoioomooottttttttttttu tUttu tUtttt 根据鉴相器“同频下比相”的原则，改写输入相角：第13页/共62页第十三页，共62页。14)()(sinttttKuoieedD）（）（鉴相器若鉴相器为正弦型乘积鉴相器的相位模型鉴相器的相位模型i（t）+Kdsine（t）o（t）uo（t）第14页/共62页第十四页，共62页。152 环路环路(hun l)滤波器滤波器uc(t)

6、=F(p) uD(t)uc（t）RC无源滤波器无源滤波器uD（t）第15页/共62页第十五页，共62页。16uc（t）uD（t）RC无源比例积分滤波器无源比例积分滤波器第16页/共62页第十六页，共62页。17uD（t）uc（t）R1CR1有源比例积分滤波器有源比例积分滤波器第17页/共62页第十七页，共62页。18dttuPKdttuKtdttuKtdtttVCOKtuKtcococooocoo)(1)()()()()()()()(00000用运算微积分表示：输出总相位：压控振荡器灵敏度频率；未加控制电压时的振荡第18页/共62页第十八页，共62页。19o（t）uc（t）o0控制特性控制特性

7、第19页/共62页第十九页，共62页。20环路输出/输入相位(xingwi)之间的关系为dttuKcoioie)(K0 uc（t）o（t）=K0uc（t）dtK0uc（t）o（t）=K0uc（t）的相位模型的相位模型第20页/共62页第二十页，共62页。21i（t）Kdsine（t）o（t）uD（t）锁相环路相位模型锁相环路相位模型F（P）K0/Pe（t）uc（t）第21页/共62页第二十一页，共62页。2200( )sin ( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )sin( )DdiocDoceioeideutKttu tF P utPtK u ttttP

8、tPtK K F Pt第22页/共62页第二十二页，共62页。2300sin( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )eeeideeidettPtPtK K F PtSSSSK K F SS第23页/共62页第二十三页，共62页。24环路闭环传输环路闭环传输(chun sh)函数：函数：环路开环传输函数SSFKKSGSGSGSSFKKSSFKKSHSFKKSSFKKSSSHdddddio)()()(1)()(1)()()()()()()(00000第24页/共62页第二十四页，共62页。25( )0( )1( )sin( )e tideF PPPtK Kt 00000( )/

9、sin0siniedeededtdtPtK KtPtK Kt 第25页/共62页第二十五页，共62页。26max0dK K第26页/共62页第二十六页，共62页。2721/2222212()()()121 (2)()11 (2)oninnnnnjjH jjjH j第27页/共62页第二十七页，共62页。284222221/2331()2(21)10221(21)1nndBndBH j 带宽：第28页/共62页第二十八页，共62页。29221222222222)()(2)()()()(1)(nnennennieeetgjHjjjjHjHjH误差频率响应：第29页/共62页第二十九页，共62页。3

10、0第30页/共62页第三十页，共62页。31输入相加噪声 调制噪声分频触发噪声 杂波干扰鉴相器非线性失真跳周脉冲噪声取样脉冲泄露直流放大器输出噪声交流干扰VCO内部噪声压控振荡器压控振荡器鉴相器鉴相器环路滤波器环路滤波器 O（t）各种噪声示意图各种噪声示意图 i（t）第31页/共62页第三十一页，共62页。32000002201222( )( )cos( )sin( )( )cos( )cos( )sin( )( )cos( )( )( )( )( )( )( )( )niIQiimIQimIQniQniimIQniimQniimn tn ttnttu tn tUtn ttnttUn tntt

11、tntttgUn tnttUuttU输入噪声为窄带高斯噪声：环路输入；等效相位噪声：在弱噪声作用下：02imN BU第32页/共62页第三十二页，共62页。33202220022( )2( )/2/221( )2nininiimimiminiitNSfBUUUSNN BN BtSN环路输入：第33页/共62页第三十三页，共62页。3422220220022022/02202222/)2(2)2(20)2(,2/)2(2)()2()()(ninoninonononinoBBBBdffjHBBUNdffjHUNfjHBfdffjHUNtfjHfSfSLLLLimimBimno环路等效噪声带宽：时输

12、出相位噪声方差：度：输出相位噪声功率谱密第34页/共62页第三十四页，共62页。35H（j2f）20 BL f等效噪声带宽的几何意义等效噪声带宽的几何意义1第35页/共62页第三十五页，共62页。36o= i - o（1） o 比较(bjio)小时环路的快捕过程环路的快捕过程t1 t2 t（t）io01oo第36页/共62页第三十六页，共62页。37（t）oi0t1 t2 t1oo环路的快捕过程环路的快捕过程第37页/共62页第三十七页，共62页。38（2） o 很大时很大时 ，o= i - o比较比较(bjio)大，环大，环路失锁路失锁第38页/共62页第三十八页，共62页。39（t）io0

13、tIIIIIIo环路环路 的频率捕捉过程的频率捕捉过程u d（t） 0tUo正弦波和调频波鉴相后的输出电压波形正弦波和调频波鉴相后的输出电压波形（3） o 不是不是(b shi)很大时很大时第39页/共62页第三十九页，共62页。404PnK4PnKA第40页/共62页第四十页，共62页。41n3 快捕带 P = 4 nn4 捕捉(bzhu)时间Tp322noPT第41页/共62页第四十一页，共62页。42一阶环路的相图一阶环路的相图(xin t)分分析析一阶环路的相轨迹方程则若一阶环路：eoeieieKdtdKdtddtdsin, 0sin第42页/共62页第四十二页，共62页。43oB B

14、 A A e 2n （2n+1）K e一阶环路相图A：稳定(wndng)平衡点B：不稳定(wndng)平衡点, 2 , 1 , 0,arcsin) 12(, 2 , 1 , 0,arcsin2nKnnKnoeBoeAP LH第43页/共62页第四十三页，共62页。442ln2)arcsin(2lncos2KTKKKTPooeeP，则若稳态相位误差：捕捉时间：第44页/共62页第四十四页，共62页。45输入输入主鉴相主鉴相器器移相移相90o正交鉴正交鉴相相环路滤波环路滤波VCO平滑滤平滑滤波波锁定指示方框图锁定指示方框图输出输出第45页/共62页第四十五页，共62页。46输入输入鉴相器鉴相器移相

15、移相90o正交鉴正交鉴相相环路滤环路滤波波VCO平滑滤平滑滤波波辅助捕捉锁相环辅助捕捉锁相环扫描电扫描电压产生压产生VCO粗调电压粗调电压输出输出第46页/共62页第四十六页，共62页。47输入输入鉴相器鉴相器脉冲形成脉冲形成环路滤波环路滤波VCO计数器计数器变斜率扫描环路变斜率扫描环路台阶波台阶波产生器产生器VCO粗调电压粗调电压输出输出第47页/共62页第四十七页，共62页。48输出输出鉴相器鉴相器环路滤波环路滤波VCO有鉴相的锁相环有鉴相的锁相环鉴相器鉴相器输入输入第48页/共62页第四十八页，共62页。49鉴相器IIVCO跟随器NVDD16PH1114PH12 3VCoo 4 2 PH

16、01 13 PH02 CC 6 7Vss 11Vss 12 inh5R1VssR2Vss9 VCo1R104-3 4-3 集成集成(j chn)(j chn)锁相环锁相环CD4046内内部部(nib)电电路路框框图图第49页/共62页第四十九页，共62页。50混混 频频中中 放放鉴鉴 相相 NVCO低低 通通中频中频参考电压参考电压 IO i O i - O i - O锁相接收机的组成锁相接收机的组成问题问题(wnt)：1（1）Bi5B3dB; （2）环路增益不能太大；）环路增益不能太大；2 假锁假锁1 锁相接收机锁相接收机第50页/共62页第五十页，共62页。51鉴鉴 相相环路滤波环路滤波V

17、CO输出滤波输出滤波输入输入输出输出输出滤波输出滤波第51页/共62页第五十一页，共62页。52( )sin( )( )( )( )( )iimimmmu tUttduttdtuSSS输入调频信号：其调制信号：取拉氏变换：第52页/共62页第五十二页，共62页。5300000( )( )( )( )( )1( )( )( )( ) ( )( )( )( )( )( )imedddcdedmndSSSSSSK K F SSK K F SUSSK K F SUSKS F SK F SH SSSUSSK K F SK环路的相位差：从环路滤波器输出端取解调电压：第53页/共62页第五十三页，共62页。

18、54ui(t)+n(t)n(t)ui(t) x(t)y(t)ui(t)+n(t)n(t)ui(t) x(t)y(t)信号与窄带噪声的合成矢量信号与窄带噪声的合成矢量第54页/共62页第五十四页，共62页。55)()()(txtutyarctgin：由噪声引起的相位噪声当输入信噪比较大时，第55页/共62页第五十五页，共62页。56n(t)n(t)420-2tt n(t)的变化和频率尖峰的形成的变化和频率尖峰的形成第56页/共62页第五十六页，共62页。57参考参考频率源频率源脉冲脉冲形成形成取样保持取样保持鉴相器鉴相器环路环路滤波滤波VCOuR(t)frus(t)Mfr取样环的组成取样环的组成uR(t)us(t)uD(t)R1R2R3C1C取样保持鉴相器取样保持鉴相器第57页/共62页第五十七页，共62页。58110200021( )()1;( )sin()( )sin()()RrnrrssmssmrrruttnTtTtfu tUtu tUmtmttnTt取样脉冲：取样周期：初始时延；取样的信号电压：式中：取样时刻第5